南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司 李 軍 周 航貴州匯通華城股份有限公司 楊 欣南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司 王 旭

0 引言

地鐵作為城市公共交通的大動(dòng)脈，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用，同時(shí)也是耗電大戶。南寧地鐵1號(hào)線共設(shè)地下車站25座，各站點(diǎn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和水系統(tǒng)構(gòu)成，其中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)電耗約占總用電量的40%～50%，是車站的主要耗能設(shè)備，因此，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能顯得尤為重要。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量一般按地鐵運(yùn)行遠(yuǎn)期最大負(fù)荷確定，并預(yù)留一定的設(shè)計(jì)余量[1-2]。然而，通過對(duì)南寧地鐵站點(diǎn)負(fù)荷的分析發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中，空調(diào)負(fù)荷往往達(dá)不到最大負(fù)荷，甚至?xí)『芏?，存在較大的富余量。若地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按設(shè)計(jì)容量長期運(yùn)行，勢必會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。

南寧地鐵1號(hào)線車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)沒有采用先進(jìn)的節(jié)能控制技術(shù)，其水系統(tǒng)完全采用工頻模式運(yùn)行，大系統(tǒng)雖然安裝了變頻設(shè)備，但也僅僅根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行頻率進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置。本文以南寧地鐵1號(hào)線麻村站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行研究分析，采取行之有效的風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，在保障地鐵環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)，有效降低了地鐵車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了總結(jié)分析，供已運(yùn)營地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造及新線建設(shè)參考。

1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)耗能現(xiàn)狀分析

以南寧地鐵1號(hào)線麻村站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。該站空調(diào)水系統(tǒng)和大系統(tǒng)中主要受控設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 南寧地鐵1號(hào)線麻村站受控設(shè)備參數(shù)

南寧市空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間通常為5—11月。根據(jù)對(duì)南寧地鐵1號(hào)線麻村站2019年運(yùn)行電量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各主要通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運(yùn)行耗電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 空調(diào)季節(jié)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備2019年運(yùn)行能耗 kW·h

2) 節(jié)能改造前1#冷水機(jī)組存在一定的問題，導(dǎo)致2#冷水機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長，因此表中“環(huán)控三級(jí)負(fù)荷2設(shè)備”的實(shí)測總能耗遠(yuǎn)大于“環(huán)控三級(jí)負(fù)荷1設(shè)備”的實(shí)測總能耗。

3) 由于節(jié)能改造前大系統(tǒng)沒有獨(dú)立的計(jì)量電表，因此表中大系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)為推算而來，其值等于環(huán)控二級(jí)負(fù)荷A端(或B端)設(shè)備的實(shí)測能耗減去A端(或B端)小系統(tǒng)的計(jì)算能耗；由于小系統(tǒng)沒有變頻，且在空調(diào)季每天24 h不間斷運(yùn)行，為確保推算結(jié)果的準(zhǔn)確性，小系統(tǒng)能耗為每臺(tái)設(shè)備的實(shí)測瞬時(shí)功耗與月運(yùn)行總時(shí)間的乘積。

4) 節(jié)能改造前，大系統(tǒng)已安裝變頻器，但變頻器頻率無法自動(dòng)調(diào)節(jié)，僅由操作人員手動(dòng)設(shè)置,因此推算所得大系統(tǒng)能耗與按額定功率計(jì)算的理論能耗間存在一定偏差。

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，南寧地鐵1號(hào)線麻村站通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)及水系統(tǒng)空調(diào)季運(yùn)行耗電量約為81萬kW·h/a。

南寧地鐵1號(hào)線開通運(yùn)行僅3年左右時(shí)間，若通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)無法根據(jù)負(fù)荷需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，必然造成極大的能源浪費(fèi)。按照南寧市地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，目前南寧地鐵已運(yùn)營車站有79座，遠(yuǎn)期將達(dá)到200座左右，且已運(yùn)營通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)大部分都沒有采用先進(jìn)的節(jié)能控制技術(shù)，因此，如何引入高效的節(jié)能控制技術(shù)與設(shè)備，降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗，減少運(yùn)營成本是南寧地鐵節(jié)能工作亟待解決的問題。

2 系統(tǒng)控制原理

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)技術(shù)以對(duì)地鐵站內(nèi)通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)和大系統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)化控制及管理為手段，將智能控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)集合應(yīng)用于地鐵站點(diǎn)的環(huán)境控制和能源管理中，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的高效運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)無人值守、一鍵操作、全系統(tǒng)運(yùn)行工藝參數(shù)的存儲(chǔ)與分析、系統(tǒng)能效的分析評(píng)價(jià)等，控制效果穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)的共同節(jié)能，能創(chuàng)造出較好的節(jié)能效益。

2.1 全日逐時(shí)負(fù)荷預(yù)測

對(duì)于地鐵車站，其負(fù)荷主要分為兩類：內(nèi)部負(fù)荷與外部負(fù)荷。其中，外部負(fù)荷主要受室外氣候變化所影響，而內(nèi)部負(fù)荷主要受設(shè)備發(fā)熱和人體散熱所影響。對(duì)于一個(gè)已建成的地鐵車站，其主要設(shè)備的發(fā)熱量基本固定，因此引起內(nèi)部負(fù)荷變化的主要因素為客流量的變化。因此，可以根據(jù)系統(tǒng)歷史負(fù)荷情況及室外環(huán)境溫度的變化趨勢，對(duì)當(dāng)前的全日逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，為系統(tǒng)的開機(jī)、加減機(jī)策略及基于負(fù)荷預(yù)測的控制策略提供數(shù)據(jù)支撐，在水系統(tǒng)冷量供給與末端負(fù)荷需求間進(jìn)行協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，即通過對(duì)系統(tǒng)末端負(fù)荷的預(yù)測分析來決定冷水機(jī)房需制備并向末端輸送的冷量，使其與末端的需求實(shí)時(shí)匹配，避免過度制冷帶來的能源浪費(fèi)。

2.2 冷水機(jī)組出水溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制

對(duì)于冷水機(jī)組的出水溫度，常見為7 ℃的固定出水溫度控制，或由操作人員根據(jù)當(dāng)前末端的溫度按經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)整以降低冷水機(jī)組的能耗。該控制方法自控能力差，控制效果有限。在末端除濕(潛熱負(fù)荷、濕負(fù)荷)需求減少時(shí)，在滿足末端顯熱負(fù)荷需求的前提下，提高冷水機(jī)組的出水溫度，從而提高冷水機(jī)組的運(yùn)行效率，可以降低空調(diào)系統(tǒng)中高能耗設(shè)備(冷水機(jī)組)的運(yùn)行能耗；在末端除濕需求增大時(shí)，降低冷水機(jī)組的出水溫度，滿足末端環(huán)境的舒適性需求，從而實(shí)現(xiàn)末端空調(diào)箱表冷器換熱特性與冷水機(jī)組出口溫度再設(shè)定間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，可以降低系統(tǒng)的總體能耗。

2.3 基于負(fù)荷預(yù)測的冷水控制

地鐵空調(diào)負(fù)荷具有多變性。在部分負(fù)荷時(shí)，冷水系統(tǒng)常常在大流量、小溫差狀態(tài)下運(yùn)行，造成冷水泵輸送能耗的浪費(fèi)。因此，根據(jù)負(fù)荷的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷水系統(tǒng)流量，對(duì)降低空調(diào)系統(tǒng)能耗具有十分重要的意義。

控制系統(tǒng)通過負(fù)荷預(yù)測確定空調(diào)末端的總負(fù)荷需求后，便可知道冷源站需要向末端輸配的冷量，再根據(jù)冷水機(jī)組的當(dāng)前出水溫度及系統(tǒng)當(dāng)前最佳溫差，即可得到滿足末端負(fù)荷需求的冷水流量。結(jié)合系統(tǒng)循環(huán)周期，以該預(yù)期流量為控制目標(biāo)調(diào)節(jié)冷水泵的頻率，使實(shí)際流量趨近于預(yù)期流量，便可提高冷水泵的輸送系數(shù)，降低冷水泵的輸送能耗。

2.4 基于系統(tǒng)效率最佳的冷卻水系統(tǒng)控制

目前常見的冷卻水調(diào)節(jié)方法為固定溫差或固定冷卻水出水溫度控制，該控制方法僅考慮了冷卻水泵或冷卻塔的能耗，控制不當(dāng)反而會(huì)使冷水機(jī)組的能耗上升。主機(jī)效率與冷卻水溫度相關(guān)，在一定范圍內(nèi)降低冷卻水溫度，有利于提高主機(jī)效率、減少主機(jī)能耗，但降低冷卻水溫度，將導(dǎo)致冷卻水泵和冷卻塔的能耗升高。因此，必須將主機(jī)能耗、冷卻水泵能耗、冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗三者統(tǒng)一考慮[2]。

在制冷環(huán)節(jié)中，在不同負(fù)荷率、不同室外濕球溫度下，均存在一個(gè)最佳的兩器(冷凝器、蒸發(fā)器)溫差，使得系統(tǒng)中冷水機(jī)組、冷卻水泵及冷卻塔的綜合能耗最低。而兩器溫差受室外環(huán)境濕球溫度及冷卻水供回水溫差影響。該項(xiàng)目通過自動(dòng)漫步尋優(yōu)控制，通過系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)進(jìn)化，自動(dòng)尋找系統(tǒng)綜合能耗最低條件下的冷卻塔最佳出水溫度(即逼近溫度)、冷卻水的最佳供回水溫差(即冷幅)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水泵頻率及冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率的控制，保證整個(gè)制冷系統(tǒng)的能耗最低。

2.5 公共區(qū)空調(diào)風(fēng)機(jī)控制

根據(jù)公共區(qū)實(shí)際負(fù)荷及動(dòng)態(tài)計(jì)算所得系統(tǒng)循環(huán)周期，對(duì)末端空調(diào)箱風(fēng)機(jī)及回排風(fēng)機(jī)的頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使公共區(qū)溫度接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值，避免公共區(qū)溫度過低帶來的能源費(fèi)用的不必要增加。

通過對(duì)新風(fēng)比焓和回風(fēng)比焓的對(duì)比分析，在滿足公共區(qū)CO2濃度不超標(biāo)的情況下，以充分利用低比焓空氣為原則，對(duì)新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、排風(fēng)閥進(jìn)行有效控制，降低對(duì)冷源的消耗。

2.6 冷水機(jī)組能效在線分析

通過對(duì)冷水機(jī)組安裝能效分析裝置，采集并計(jì)算主機(jī)冷水進(jìn)/出口溫度、冷卻水進(jìn)/出口溫度、冷水流量、機(jī)組實(shí)時(shí)功率、耗電量及制冷量等運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)冷水機(jī)組的能效進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算分析，最終生成實(shí)際運(yùn)行工況下冷水機(jī)組的能效分布表，從而可以確定在任何一種工況下開哪一臺(tái)冷水機(jī)組更節(jié)能，在多大的負(fù)荷率下進(jìn)行加機(jī)(或減機(jī))更節(jié)能，為系統(tǒng)開關(guān)機(jī)、增減機(jī)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.7 表冷器水閥的控制

大系統(tǒng)表冷器水閥根據(jù)空調(diào)箱送風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)目標(biāo)為使空調(diào)箱實(shí)際送風(fēng)溫度趨近于設(shè)定值；而對(duì)于小系統(tǒng)，由于受現(xiàn)場條件制約，柜式空調(diào)機(jī)組及回、排風(fēng)機(jī)均未加裝變頻設(shè)備，因此對(duì)其表冷器水閥根據(jù)回風(fēng)溫度進(jìn)行控制，最終由系統(tǒng)按照盡量降低管路阻力的原則進(jìn)行全局動(dòng)態(tài)水力調(diào)節(jié)，以降低冷水的運(yùn)載能耗。

1) 若空調(diào)末端所有表冷器水閥均未開到最大，且所有水閥開度相同，則將所有水閥全開，降低管路阻力，從而降低冷水泵頻率。

2) 若空調(diào)末端所有表冷器水閥均未開到最大，且水閥開度不同，則將其中開度最大的水閥全開，降低管路阻力，從而降低冷水泵頻率。

3) 若空調(diào)末端已有表冷器水閥開到最大，則不進(jìn)行“修正”。

2.8 新風(fēng)量控制

由于小新風(fēng)機(jī)功率較小，未進(jìn)行變頻改造，因此在空調(diào)季僅采用了模式控制，即通過對(duì)公共區(qū)二氧化碳濃度、新風(fēng)比焓及回風(fēng)比焓的比較計(jì)算，自動(dòng)使系統(tǒng)工作于最小新風(fēng)模式或全新風(fēng)模式，以降低高比焓新風(fēng)帶來的能源浪費(fèi)。

1) 當(dāng)站內(nèi)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)大于1 200×10-6或室外新風(fēng)比焓小于回風(fēng)比焓時(shí)，直接啟用全新風(fēng)模式，打開全新風(fēng)閥，關(guān)閉小新風(fēng)機(jī)及小新風(fēng)閥。

2) 當(dāng)站內(nèi)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)小于1 200×10-6，且新風(fēng)比焓大于回風(fēng)比焓時(shí)，啟用最小新風(fēng)模式，關(guān)閉全新風(fēng)閥，開啟小新風(fēng)機(jī)及小新風(fēng)閥，降低室外高比焓新風(fēng)帶來的冷源消耗。

從實(shí)際運(yùn)行效果來看，測試期間基本運(yùn)行在最小新風(fēng)工況，且公共區(qū)的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)基本在650×10-6以下，即使在早晚高峰期，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)也未超過650×10-6。

3 應(yīng)用效果分析

試驗(yàn)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)改造后可運(yùn)行在非節(jié)能模式和節(jié)能模式，為確保數(shù)據(jù)具有可對(duì)比性，進(jìn)行了為期6 d的節(jié)能對(duì)比測試，非節(jié)能模式和節(jié)能模式各運(yùn)行3 d。測試期間各天實(shí)際運(yùn)行模式如表3所示。

表3 空調(diào)季通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)測試模式

由于2020年9月8日至9月9日2 d夜間車站進(jìn)行停電檢修，故這2 d各采集08：00—22：00共14 h運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。其余各模式下每天采集24 h數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測試期間各天站內(nèi)的實(shí)際熱負(fù)荷受客流量變化的影響較小，站內(nèi)熱負(fù)荷主要來源于混風(fēng)室新風(fēng)的補(bǔ)給與車站出入口的漏風(fēng)所帶入的外界熱負(fù)荷，測試期間室外濕球溫度分布如圖1所示。

圖1 測試期間室外濕球溫度分布

由圖1可見，第5天(節(jié)能模式)與第6天(非節(jié)能模式)近似，第3天(節(jié)能模式)與第2天(非節(jié)能模式)近似，第1天(節(jié)能模式)與第4天(非節(jié)能模式)近似，因此按室外濕球溫度近似原則分為3組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以提高分析結(jié)果的可信度，分組情況如表4所示。

表4 系統(tǒng)節(jié)能測試對(duì)比分組

節(jié)能改造方案對(duì)大系統(tǒng)及水系統(tǒng)的每臺(tái)設(shè)備均安裝了電能表，用于計(jì)量各設(shè)備的能耗，并為節(jié)能優(yōu)化算法提供數(shù)據(jù)支持，測試期間記錄的各類設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及系統(tǒng)制冷量如表5所示。

表5 各類設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及系統(tǒng)制冷量 kW·h

通過對(duì)2種工況下為期6 d的多組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，各控制模式的節(jié)能對(duì)比如表6所示，能效對(duì)比如表7所示。

表6 各控制模式的能耗及節(jié)能率對(duì)比

由表7可見，在室外環(huán)境溫度相近的情況下，節(jié)能模式下的制冷量小于非節(jié)能模式下的制冷量，這是由于在節(jié)能模式下，冷水機(jī)組采用了變出水溫度控制，在確保站內(nèi)環(huán)境滿足要求的情況下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際需求提高冷水機(jī)組的出水溫度，從而避免過度除濕帶來的冷量消耗，為系統(tǒng)提供了更大的節(jié)能空間，并進(jìn)一步提高了冷水機(jī)組及系統(tǒng)的效率。

表7 各控制模式的能效對(duì)比

由表6可見，通過對(duì)比測試，系統(tǒng)綜合節(jié)能率可達(dá)到42.8%，可大幅度降低運(yùn)營成本，從而贏得較好的投資回報(bào)。由表7可見，采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能措施后，相對(duì)于非節(jié)能模式，冷水機(jī)房能效提升了22.9%，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)綜合能效比提升了30%，系統(tǒng)運(yùn)行能效得到了大幅提升。

4 對(duì)小系統(tǒng)的影響分析

對(duì)于南寧地鐵1號(hào)線麻村站，冷源供冷范圍包含大系統(tǒng)和小系統(tǒng)。由于改造受現(xiàn)場條件的制約，小系統(tǒng)柜式空調(diào)機(jī)組及回、排風(fēng)機(jī)均未加裝變頻設(shè)備，因此小系統(tǒng)無法進(jìn)行變風(fēng)量調(diào)節(jié)，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)僅通過調(diào)節(jié)表冷器水閥來控制小系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量。小系統(tǒng)控制效果如圖2所示。

圖2 小系統(tǒng)控制效果

由于小系統(tǒng)表冷器水閥采用的是回風(fēng)溫度控制，而非送風(fēng)溫度控制，存在較大的惰性，因此在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，對(duì)水閥開度進(jìn)行了下限鎖定，以降低由于系統(tǒng)的大惰性特性帶來的調(diào)節(jié)不穩(wěn)定性，避免引起溫度的過大波動(dòng)，但從圖2來看，即使在節(jié)能模式下，部分房間的溫度仍遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)溫度27 ℃。

因此，在條件允許的情況下，若將小系統(tǒng)風(fēng)機(jī)也加裝變頻裝置，納入自動(dòng)調(diào)節(jié)，還可進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力，另外，該項(xiàng)目閥門開度下限及調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)定也還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

5 結(jié)論

1) 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，有效解決了地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)這種復(fù)雜、非線性、時(shí)變性、難以用傳統(tǒng)理論建模的系統(tǒng)的控制問題。

2) 車站風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制體現(xiàn)了集中管理、分散控制的理念，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤、在線調(diào)節(jié)、智能推理等功能，可根據(jù)環(huán)境及負(fù)荷的變化快速擇優(yōu)選擇系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，確保車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行。

3) 節(jié)能模式與非節(jié)能模式應(yīng)用效果的對(duì)比測試表明，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的節(jié)能效果較好，可大幅度降低運(yùn)營成本，且系統(tǒng)能效得到了大幅提升。

4) 該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、節(jié)能效果良好。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用，為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制模式提供了可行、可靠的技術(shù)支撐。